低溫泵，也稱為冷凝泵，是一種利用低溫表面冷凝氣體的真空泵。其工作原理是通過將泵體表面降溫至低于氣體的冷凝點，使氣體在表面冷凝，從而實現氣體的抽除。低溫泵能夠實現最大抽氣速率和最低極限壓力，獲得高品質的清潔真空。
低溫泵被廣泛應用于多個領域，包括半導體和集成電路的研究與生產、分子束研究、真空鍍膜設備、真空表面分析儀器、離子注入機以及空間模擬裝置等。
功能
低溫泵的主要用途是將低溫液體從低壓力區域輸送到高壓力區域。隨著空氣分離技術的發展，低溫液體的應用與發展日益廣泛。在空氣分離設備中，低溫泵發揮著重要作用，主要體現在液體循環和液體抽取與壓入兩個方面：低溫泵用于維持低溫液體的循環，以確保設備的正常運行和效率；同時，它能夠從貯槽中抽取低溫液體，并將其壓入汽化器，在汽化過程中，液體轉變為氣體并輸送至用戶。
抽氣原理
低溫泵內設有由液氦或制冷機冷卻至極低溫度的冷板，這一設計使得氣體能夠在其表面凝結，并將凝結物的蒸汽壓力保持在低于泵的極限壓力，從而實現抽氣功能。低溫抽氣的主要作用包括低溫冷凝、低溫吸附和低溫捕集。
首先，低溫冷凝是指氣體分子在冷板表面或已冷凝的氣體層上凝結，其平衡壓力基本等于冷凝物的蒸汽壓。在進行抽氣時，冷板的溫度需低于25K，而抽氫時則要求更低的溫度。此過程中，低溫冷凝的凝結層厚度可達約10毫米。
其次，低溫吸附是指氣體分子以單分子層的厚度（通常在厘米數量級）被吸附到涂覆在冷板上的吸附劑表面上。此時，吸附的平衡壓力遠低于相同溫度下的蒸汽壓力，例如在20K時，氫氣的蒸汽壓力等于大氣壓力，但使用20K的活性炭吸附氫氣時，吸附平衡壓力則低于1帕。這使得在較高溫度下通過低溫吸附實現抽氣成為可能。
最后，低溫捕集是指在抽氣溫度下無法冷凝的氣體分子，逐漸被不斷增加的可冷凝氣體層所埋藏和吸附。
一般來說，泵的極限壓力指的是在冷板溫度下被冷凝氣體的蒸汽壓力。例如，在溫度為120K時，水的蒸汽壓力已降至低于1帕。而在20K時，除氦、氖和氫之外，其他氣體的蒸汽壓力同樣低于1帕。然而，由于被抽容器與低溫冷板之間存在溫度差異，泵的極限壓力通常高于冷凝物的蒸汽壓力。以室溫下的容器為例，當低溫板的溫度為20K時，泵的極限壓力大約是冷凝物蒸汽壓力的4倍。
類型
低溫泵分為注入式液氦低溫泵和閉路循環氣氦制冷機低溫泵兩種。
注入式液氦低溫泵
主要由液氦容器、泵體和連接擋板的液氮腔體等部分組成。為了減少液氦消耗，液氦容器的外壁采用雙層保溫壁并在其間抽成真空。當泵被預抽到 帕壓力時灌入液氮和液氦，氣體凝結在4.2K的工作冷板上。經預抽使氦氫分壓到 帕數量級，故泵可獲得 帕以下的極限壓力。如果把液氦容器抽真空減壓病到6650帕，液氦溫度可降到2.3K，則可得到更低的極限壓力。
閉路循環氣氦制冷機低溫泵
它是70年代出現的新型低溫泵。這種泵不消耗氦氣、操作簡便，易于維修，應用日漸廣泛。制冷機的制冷介質為氣氦，一級冷板溫度為，典型應用是65K,用來冷凝水蒸汽和預冷其他氣體；二級冷板溫度為，用來冷凝氮、氧和等氣體。在二級冷板的內表面涂以活性炭。活性炭在低溫下對氦、氖和氫有很強的吸附能力。冷板由無氧銅制成，表面拋光達到鏡面程度，以減小輻射系數。泵的極限壓力為 帕，工作壓力范圍為 帕，要求預抽壓力為1帕。制成的產品抽氣速率已達60000升/秒。此外，尚可根據工藝的特點把抽氣冷板安排在被抽容器內，其抽氣速率可達到106升/秒以上。
熱負載
低溫泵的熱負載主要來源于氣體的凝結熱和周圍壁面對工作冷板的輻射熱。凝結熱與氣體的種類密切相關。例如，當溫度為80K、壓力為133.322帕·升的氮氣冷凝在20K的冷板上時，其凝結熱為一定的焦耳值。
此外，工作冷板所接受的輻射熱與周圍壁面的溫度和工作冷板的溫度之間的差值的四次方成正比。為減少工作冷板所接受的輻射熱，通常會使用冷板進行屏蔽，特別是在4.2K和20K的工作冷板中，以有效降低輻射熱的影響。
結構特點
立式結構
立式結構的低溫泵適合埋裝在地下，能夠有效避免電動機熱風、空氣溫度和日照等外部因素的影響，從而便于保冷。該結構的設計降低了泵的吸上高度，增加了灌注頭，并提高了有效汽蝕余量。此外，立式結構有利于排氣，使懸掛軸具有足夠的高度，方便布置軸封裝置。因此，這種泵也被稱為立式筒型泵。
對稱結構
低溫泵的整體結構力求對稱布置，以確保在冷態下能均勻變形。冷頭通常采用二級機構，其中第一級可以達到80K的溫度，而第二級則能夠降至10K。
雙層殼體
為了便于保冷并有利于輸送危險介質，低溫泵通常采用雙層殼體設計。內殼承受泵的工作壓力，而內外殼之間的空間則用于吸入壓力，這樣可以適當降低內殼的強度要求。外殼設計為真空夾層，以達到良好的隔熱效果。通過這些設計，可以提高泵的安全性和運行效率。
優勢
(1)低溫泵在獲取潔凈和無油真空方面，具有其他產品無法相比的優勢。它可以作為研究其他真空泵對真空污染程度的標準；
(2)低溫泵在抽除水蒸汽和其他潮濕混合氣方面具有較大抽速；
(3)低溫泵在抽取輕重量分子方面也具有較大抽速；
(4)在要求大抽速的真空設備中，低溫泵是最經濟的。商品化的低溫泵可以在很小的口徑下提供大的抽速；
(5)低溫泵是基于低溫吸附而工作的，不需要其他電子材料，不會有波動；
(6)在真空中無任何運動部件，高穩定性，也不會帶來密封問題；
(7)低溫泵的安裝無任何方向要求；
(8)低溫泵還可以進行選擇性的抽取某種氣體。
吸附材料
吸附材料對低溫泵的工作性能具有重要影響。在真空獲得方面，雖然一臺沒有任何吸附劑的低溫泵在某些條件下可能能夠滿足需求，但通常情況下，低溫泵依賴液氦或制冷機來達到低溫，其最低溫度可降至4K。在此溫度下，低溫泵需要抽除氦氣，因為氦氣常用于真空檢漏。因此，吸附材料在低溫泵的氣體抽除過程中發揮著重要作用。與沒有吸附材料的情況相比，低溫下的吸附材料能夠實現更低的平衡壓力。低溫泵的工作原理是通過表面吸附實現的，因此，材料的表面積越大，對泵的工作性能越有利。因此，選擇合適的吸附材料時，需確保其具備較大的比表面積和吸附容量。
對吸附材料進行表征的物理量主要有：幾何形狀和顆粒大小分布；表面結構；密度；比表面積；孔徑分布、孔容和平均孔徑大小等。目前研究低溫泵的吸附材料主要是通過以上參數的表征而進行的。
參考資料 >
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低溫泵的構造原理.玉壺泵業.2024-09-28
知識普及，低溫泵的原理與分類詳解.化工儀器網.2024-09-28
什么是低溫泵，讓小編告訴你。.環保在線.2024-09-28
低溫泵有什么優點.化工儀器網.2024-09-28
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